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水泥土搅拌法在软基处理中的应用
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摘 要：对水泥土搅拌法的内容、原理、适用范围和优点进行了详细介绍，利用水泥土搅拌法对《地基处理技术》一书中的一个实际工程例子进行了设计计算，得到桩长、桩径、承载力和桩数等关键参数，并进行了土层沉降验算，符合规范要求，表明设计是合理的。
关键词：水泥土搅拌法；工程应用；设计计算；沉降验算
Application of cement-soil mixing method in soft soil foundation treatment
Abstract: This article introduced the content, principle, scope of application and advantages of cement-soil mixing method in detail. Then it used this method to make a design and calculation of a actual engineering project in the book ground treatment technology. It got the length, diameter and number of piles and bearing capacity and other important parameters. What is more, it calculated the settlement of soil and concluded that the settlement obeyed the technical specification. The conclusion indicated that the design is appropriated.
Key words: cement-soil mixing method; engineering application; design and calculation; settlement calculation
0 引 言
我国地域广大，有各种成因的软土层，其分布范围广、土层厚度大。这类软土的特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差、沉稳时间长。由于软土地基的不良性能，因此在软土地基上建筑施工时须要进行人工加固。常见的加固方法有排水、压密、加筋、固化等几类。在软土地基中搅拌掺入各类固化剂，使软土固化是一种通用的地基加固方法。常用的固化剂有：水泥类，如普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥等；或石灰类，如生石灰、消石灰等。
其中，由固化剂（水泥）与软土搅拌形成的固结体称为水泥搅拌桩。将用水泥浆与软土搅拌形成的柱状固结体称为深层搅拌桩；将用水泥粉体与软土搅拌形成的柱状固结体称为粉喷桩。这两种桩合称为水泥土搅拌桩。这两类地基加固方法（既拌入水泥浆的湿法和拌入水泥粉的干法）合称为水泥土搅拌法。
1 水泥土搅拌法的原理
水泥土搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程。水泥与饱和的软土搅拌后，首先发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化物并形成凝胶体(氢氧化钙)，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，这就是水泥的骨架作用，同时，水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子(或钾离子)进行离子交换作用，生成稳定的钙离子，从而进一步提高土体的强度。另外，水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙这种碳酸化作用也能使水泥土增加强度[[]赵宇,水泥土搅拌桩在工程中的应用[J],中国新技术新产品,2010(17):36.
]。
2 水泥土搅拌法的适用范围和优点
这种方法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水量小于30%（黄土含水量小于25%）、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法[[]程洛生,水泥土搅拌法在软土地基处理中的应用[J],山西建筑,2009(35):93-94.
]。
作为一种较新式的软土地基处理方法，水泥土搅拌法具有以下优点：
（1）将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，最大限度利用了原土；
（2）搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工；
（3）搅拌时不会使地基侧向挤出，对周围建筑物和管线影响较小；
（4）水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基、基坑围护挡墙等；
（5）根据上部结构要求，可灵活采用各种加固形式；
（6）与钢筋混凝土桩基相比，可节约大量钢材，降低造价[[]杨晓静,水泥土搅拌法在浅部软土地基加固中的应用[J],中国西部科技,2009(8):29-30
]。
3 水泥土搅拌法在某工程中的应用
3.1 工程概况
本工程实例取自郑俊杰编著的教材《地基处理技术》[[]郑俊杰,地基处理技术[D],华中科技大学出版社,2004,9.
]，工程位于上海市某住宅区，位于上海宝山区与普陀区接壤处，建筑占地约4万m2，拟建三层别墅和六层住宅，建筑面积达11.44万m2，其中住宅楼长54m，宽11m。基础形式为浅基础，基底持力层在第二层褐黄色粉质粘土。基础底面积为380m2，经计算基底压力达到123.1kPa。
3.2 工程地质条件
该场地地形较为平坦，平均地面标高在3.90m，地下水埋深在地面下0.52m，平均水位标高3.38m。各层土物理力学性质见表1。
表1 各土层物理力学性质主要数据表
层序
土层
名称
层厚
（m）
含水量（%）
重度（kN/m3）
比重
孔隙比

塑性
指数
液性
指数
直剪固结指标
压缩性指标
地基土承载力（kPa）
C （kPa）
φ°
a1~2
(MPa)
ES1~2 （MPa）
①1
素填
0.50~1.70

①2
浜填土
0.70~3.00

②
褐黄色
粉质粘土
1.90~2.90
33.3
18.9
2.73
0.93
15.4
0.77
11.1
15.7
0.47
4.40
90
③
淤泥质粉质粘土
1.90~2.40
43.7
17.8
2.73
1.20
15.8
1.35
8.1
13.8
0.78
3.36
70
③夹
砂质粘土
0.50~1.10
31.8
18.6
2.70
0.89

4.0
25.0
0.22
8.25
100
④
淤泥质
粘土
9.30~10.8
51.8
17.1
2.74
1.44
19.8
1.36
8.6
7.2
1.22
2.04
60
⑤
粉质粘土
1.40~3.30
40.6
18.0
2.74
1.14
17.0
1.02
10.0
12.4
0.71
3.09
75
⑥1
暗绿色
粉质粘土
2.30
23.5
20.0
2.72
0.68
15.6
0.32
30.8
11.6
0.27
6.33
170
⑥2
草黄色
粉质粘土
未穿
25.3
19.7
2.73
0.74
17.0
0.38
39.0
9.9
0.23
7.60
180
3.3 地基处理方案选择
本场地位于长江三角洲软土平原地区，地基土以粘土和粉质粘土为主，间或淤泥质粘土，土层较厚，持力层承载力仅90kPa，其余各层承载力在60～180kPa之间，而建筑载荷最大值达到123.1kPa，因此需要进行地基处理。水泥土搅拌法适用于处理淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、粘土等地基，与本场地条件相符，故采用水泥土搅拌法中深层搅拌法（湿法）处理。
3.4 设计计算
3.4.1 固化剂
选用普通硅酸盐水泥，水泥掺入比14%，外掺剂选用具有早强、缓释、减水以及节省水泥等作用的材料，但应避免污染环境；室内水泥土配比试验获得试块的无侧限抗压强度为=1200kPa。
3.4.2 桩长设计
竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层，本工程设计桩长宜为18m，以深入到承载力较高的第六层暗绿色粉质粘土表面。
3.4.3 桩径设计
水泥土搅拌桩常用桩径为500~600mm，本设计取500mm
3.4.4 承载力计算
竖向承载水泥土搅拌装复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。在初步设计时，也可根据下式估算：
（1）
式中：——复合地基承载力特征值（kPa）。因为本工程基底压力最大达到144.3kPa， 取值为150kPa。
——桩的截面积（m2）；本设计中=π×0.52m2=0.785m2。
——处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值；本设计取第六层暗绿色粉质粘土层天然承载力为170kPa。
——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75~0.95，天然地基承载力较高时取大值；本实例取0.7。
——单桩竖向承载力特征值（kN）；单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。初步设计时也可按下式估算
(2)
(3)
式中:——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；本设计取1200kPa。
η ——桩身强度折减系数，干法可取0.20~0.30，湿法可取0.25~0.33；本设计采用湿法，取0.25。
μp——桩的周长（m）；本设计μp=2π×05m=3.14m。
n ——桩长范围内所划分的土层数；本设计取5。
qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值；本设计已知各层土侧阻力平均值为8.5kPa。
li——桩长范围内第i层土的厚度；
qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值，本设计取上述天然地基承载力特征值170kPa。
α——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4~0.6；本设计取0.5。
由（2）（3）两式可分别计算得=547.145kPa和235.5kPa，取小值为230kPa。
代入式（1），得=0.18；又由，基础总面积A=380m2，可得水泥土搅拌桩的总面积为=68.4m2，总桩数=88（根）。
3.4.5 垫层
竖向承载搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200~300mm。其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。
3.4.6 布桩
竖向承载搅拌桩的平面布置可根据上部结构特点及对地基承载力和变形的要求，采用柱状、壁状、格栅状或块状等加固型式。桩可只在基础平面范围内布置，独立基础下的桩数不宜少于3根。柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩型式。
3.4.7 沉降计算
竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形s1与桩端下未加固土层的压缩变形s2：s=s1+s2。
搅拌桩复合土层的压缩变形s1可按下式计算：
（4）
（5）
式中：——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）；
——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）；
——搅拌桩复合土层的压缩模量；
——搅拌桩的压缩模量，可取（100~200）；
——桩间土的压缩模量（kPa）。
本设计中，=123.1kPa，0.1547×123.1kPa=19.04kPa；为桩间土压缩模量，对各层土的压缩模量进行加权平均求得=2.85MPa，搅拌桩的压缩模量取120MPa，代入式（5），得复合地基压缩模量=23.94 MPa，再代入式（4），求得压缩变形s1=26.72mm，在允许范围内[[]中国建筑科学研究院,建筑地基处理技术规范JGJ79-2002,2002.
]。
3.5 施工措施与说明
（1）水泥土搅拌法施工现场事先应予以平整，必须清除地上和地下的障碍物。遇有明浜、池塘及洼地时应抽水和清淤，回填粘性土料并予以压实，不得回填杂填土或生活垃圾。
（2）水泥土搅拌桩施工前应根据设计进行工艺性试桩，数量不得少于2根。当桩周为成层土时，应对相对软弱土层增加搅拌次数或增加水泥掺量。
（3）搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应相互匹配，以确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌。
（4）竖向承载搅拌桩施工时，停浆（灰）面应高于桩顶设计标高300~500mm。在开挖基坑时，应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。
（5）施工中应保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直，搅拌桩的垂直偏差不得超过1%；桩位的偏差不得大于50mm；成桩直径和桩长不得小于设计值。
4 结 语
由于水泥土搅拌桩具有的独特特点，如加固原理简单明了，施工方便，适用性广，污染小，可充分利用原有土体，造价较低等，它为软土地基加固技术开拓了一种新的方法，因此它已被越来越多的地区和工程采用，建议在实际工程中进一步推广使用。
虽然本工程实例选自《地基处理技术》一书，没有实际工程监测数据作为依托和反馈，但上述计算的基本理论是正确的，沉降验算符合要求，总的来说设计是合理恰当的，这进一步验证了本方法的适用性。

参考文献